炭素鋼の電気化学的および乾燥砂衝撃浸食研究

May 08, 2023

Scientific Reports volume 5、記事番号: 16583 (2015) この記事を引用

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この研究では、電気化学的および乾式砂衝撃技術を使用して、軟鋼の乾式および水性侵食を調査しました。 乾燥砂衝撃実験では、軟鋼は 45 μm および 150 μm の砂粒子によって侵食されました。 走査型電子顕微鏡 (SEM)、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX)、および微小硬度技術を使用して、侵食されたサンプルの表面形態を詳しく調べました。 その結果、侵食されたサンプルの形態に大きな変化があることが明らかになりました。 詳細な分析により、より大きな粒子による金属の浸食が大幅に増加したが、微粒子も金属表面に顕著な損傷を与えたことがわかりました。 表面損傷は、加速された粒子の衝突角が減少するにつれて大幅に減少した。 最大の損傷は、90°の衝撃角度で観察されました。 45 μm および 150 μm の砂で処理したサンプルの硬度は、それぞれ 88.34 ～ 102.31 VHN および 87.7 ～ 97.55 VHN の範囲に留まりました。 電気化学実験では、金属処理プロセスに三重電極プローブが追加されました。 直線分極抵抗 (LPR) の測定は、5% (重量) の砂粒子を含むスラリー中で実行されました。 45 μm および 150 μm の砂スラリーで処理したサンプルの LPR は、それぞれ約 949 Ω.cm2 および 809 Ω.cm2 と計算されました。

エロージョンは一般に、一連の機械的作用により小さな固体粒子を運ぶ流動流体の影響を受ける金属表面からの材料損失として定義されます1、2。 侵食の異なる定義間の関係は、実際には、さまざまな損傷メカニズムによる金属の侵食を指します。 石油・ガス産業では、粗い砂や微粒子による金属の浸食により漏洩事故が発生するケースが多くあります2,3。 高圧天然ガスが生産ラインから漏洩し、図1に示すような爆発を引き起こし、死亡事故につながるケースもあります。

軟鋼の砂衝撃浸食によって引き起こされる破損。

井戸から抽出された石油とガスは、砂やその他の固体粒子によって必然的に汚染されます。 不要な破片は、石油およびガス産業における多くのフロー保険問題の主な原因です。 継手やパイプラインの損傷も砂衝撃浸食の結果です。 侵食が適切に予測、監視、制御されないと、生産プロセス全体に支障をきたす可能性があります。 場合によっては、プロセスが長時間シャットダウンされる可能性があります。 したがって、潜在的な危険からパイプラインや機器を適切に保護するには、砂衝撃浸食を理解し、予測することが重要です3。

エロージョンの過程はさらにトライエロージョンと水性エロージョンに分類されます。 この研究では、乾式浸食プロセスと水浸食プロセスの両方を扱います。 水浸食には、気泡の崩壊または液体/固体粒子の衝突による材料の除去が含まれます。 このケースでは、5 重量％の砂スラリーと乾燥した砂の衝撃環境における軟鋼の浸食が 2 つの粒子サイズで実行されました。 浸食は通常、流体中に砂が存在すると極限状態になることに言及することが重要です。 スラリーまたは水浸食は、流体に混入した浸食固体粒子が金属表面に衝突して劣化を引き起こす、水力タービンやその他の流体機械でも大きな問題です 3,4。

電気化学反応は浸食および腐食を通じて材料の表面を劣化させますが、固体粒子の機械的な力は浸食を通じて表面に損傷を与えます。 水性媒体またはスラリー中では、不動態材料の電気化学反応の速度は、固体粒子を運ぶ流れよりも比較的遅くなります5。 流体が流れると、不動態層が完全または部分的に劣化する可能性があります。 しかし、表面侵食は本質的に、固体粒子の速度、衝撃角、機械的強度、およびプロセスに関与する粒子の鋭さに依存します。 不動態皮膜の破壊は表面の不動態化を引き起こし、その結果、再不動態化と金属の溶解により電気化学反応速度が増加します。 ただし、衝撃期間が非常に短く、高度に局所的な変形が発生すると、複雑な衝撃現象が発生する可能性があります3、4、5。

この論文では、砂衝撃と電気化学的手法を使用した軟鋼の乾式侵食および水侵食を扱います。 この研究を実施する動機は主に、2 つの異なる技術を使用して軟鋼の浸食に対する砂の粒子サイズの影響を定量化することに興味があったからです。 研究者らが生産フローラインにおける砂衝撃浸食の研究に両方の技術を同時に使用したことは、過去の報告ではほとんど見られませんでした。 与えられた研究は、既存の研究のギャップを埋めるための取り組みでした。 電気化学試験はスラリーポット浸食機構を使用して実施されましたが、乾式浸食試験は、乾燥チャンバー内で砂粒子を加速して鋼サンプルに衝突させることによって実施されました。 作業の目的は、砂がどのように流線を侵食するかを調査することでした。 空気速度、砂の流量、衝撃角、スラリー中の砂の重量％、ノズルからターゲット表面までの距離など、金属表面の侵食に影響を与える可能性のあるパラメータがいくつかあります。 ここでは、軟鋼の浸食に対する砂の粒子サイズ、衝撃角、重量％、およびノズル距離の影響を、SEM、EDX、LPR測定および微小硬度試験を通じて調査しました。

乾式ふるい分け法を使用して砂粒子のサイズを分類しました。 これらの分析は、スクリーン サイズが徐々に小さくなる一連のふるいを使用して実行されました。 乾燥砂のふるい分けに使用されるふるいの配置の概略を図 2 に示します。乾燥した砂は、次のメッシュサイズのふるいの積み重ねられたセットを通過しました: 1.18 mm、600 μm、425 μm、300 μm、212 μm、150μm、63μm、45μm。 地層サンプルを一連のメッシュの上部に置き、粒子サイズよりも小さい開口部を備えたスクリーンに面するまでスクリーンを通して浸透させました。 機械的振動を加えて、砂粒子がさまざまなメッシュ スクリーンを通過してその上に浸透するのを助けました。 この方法を使用して、平均サイズがそれぞれ 45 μm と 150 μm の粗い砂サンプルと細かい砂サンプルを取得しました。

乾式砂ふるいに使用されるふるいの配置の概略図。

砂の種類は、砂サイズの粒子の砕屑性堆積岩である砂岩でした。 流線侵食の侵食剤として使用されました。 厚さ 5 mm の軟鋼板に粗い砂粒子と細かい砂粒子の両方を衝突させました。 これらのプレートは生産フローラインの内面を表していました。 S45C 炭素鋼の化学組成は、炭素 0.42% ～ 0.48%、シリコン 0.15% ～ 0.35%、マンガン 0.6% ～ 0.9%、リン最大 0.030%、硫黄最大 0.035% でした。 乾燥砂衝撃浸食の実験装置の概略図を図 3 に示します。乾燥砂衝撃試験装置は、室温 (24 °C) および大気圧 (1 atm) 条件下の空気中で実験を行うために設計および製作されました。 リグのテストセクションは透明なアクリルボックスでした。 軟鋼サンプルは、ASTM ガイドラインに従って設計されたノズルの出口に取り付けられました。 空気と砂の混合物は、ノズルを通して必要な速度まで加速されました。 送風機は最大流量 120 m3/h で空気を供給できました。 空気流速は 20 m/s に固定し、衝撃角 30°、45°、60°、75°、90°で鋼板に砂を衝突させました。 現在の実験の過程を通じて、砂の流量は 1 kg/hr に固定されました。 鋼板とノズルの距離は10cmに固定した。 未処理サンプルと乾燥砂処理サンプルの表面形態と組成は、SEM、EDX、およびビッカー硬度数 (VHN) を使用して詳しく調べられました。

社内で構築された侵食試験装置の概略図。

軟鋼の砂衝撃エロージョン腐食に関する電気化学的試験は、スラリーポットエロージョン機構を使用して実施されました。 分極抵抗測定に基づく DC 技術を使用して、水道水と 1%wt の塩化ナトリウム (NaCl) を含む砂の混合物中での軟鋼の表面損傷を評価しました。 スラリー中の砂の含有量は５重量％に固定された。 LPR 測定手法は、3 つの電極を備えたセルで構成される典型的な実験セットアップでした。 分極抵抗測定経路を図 4 にまとめます。LPR 測定を使用して、その場でのエロージョン・コロージョン結果を取得しました。 三重電極システムは、作用電極、対電極、参照電極としての試料と、データ収集のためにコンピュータに接続されたポテンシオスタットによって形成されました。 試料電極は分極され、対電極と作用電極の間を流れる対応する電流が記録されました。

可能な電気化学測定プロットの概要。

試料の分極は、作用電極または対電極に電子を供給するポテンショスタットによって制御されました。 電極と電解質の電気的中性は、電極の分極に対するイオンの応答によって維持されました。 電気化学的活性種もカウンターに移動し、ポテンショスタットによって供給される電子と反応しました。 ここで、試料のＤＣ分極は、作用電極の電位の変化と、電位の関数として生成されるそれぞれの電流の測定に基づいた。 対応する分極曲線は、1 mV/min の走査速度で -20 ～ +20 mV の電位範囲で得られました。 このデータを使用して、45 μm と 150 μm の両方の砂粒子のスラリー中の軟鋼に対して LPR 測定を実行しました。 乾燥砂衝撃浸食試験と同様に、電気化学実験も 1 時間の固定時間で実施されました。

長年にわたり、50 ～ 75 μm の範囲の微粒子は、粒子サイズが小さく、ターゲット表面への衝撃が弱いため、金属を大きく侵食しないと考えられていました。 しかし、微粒子はほとんどのサンドスクリーンを通って流出する可能性があることが観察されており、石油やガスの生産においては微粒子の発生はほぼ避けられません。 これらの微粒子は、通常の状況では粗い砂が到達できない場所では、施設に重大な損傷を与える可能性があります4,5。 石油・ガス業界からの証拠は、砂がパイプライン侵食の主な原因の 1 つであることを証明しました。 所定の研究では、生産フローラインにおける砂侵食をより適切に把握するために、軟鋼の乾式および水性砂侵食が調査されました。

侵食性の砂粒子は、マレーシア半島のペラ州にあるバンダル・セリ・イスカンダルの町から収集されました。 砂サンプルの組成は、EDX 分析を使用して測定されました。 図 5 は、粒子サイズを分類するためにさらに精製された、粗い砂サンプルの EDX スキャンとスペクトルを示しています。 EDX 分析により、浸食砂サンプル中にアルミニウム、シリコン、リン、および炭素が存在することが確認されました。 サンプル中の窒素、酸素、フッ素の存在は、周囲の空気によるものと考えられていました6,7。

鉱山砂の EDX スキャンとスペクトル。

室温および大気圧条件下で乾燥砂衝撃法を使用して実行された軟鋼の摩耗浸食調査が図 6 および 7 に報告されています。これは、化学的プロセスではなく物理現象である可能性が高くなります。 図 6 は、これらの実験で金属試料として使用された未処理および処理済み軟鋼クーポンの EDX スペクトルを示しています。 図 6a は、未処理のサンプルが炭素、鉄、窒素のみで構成されていることを示しています。 図6bは、侵食実験後の金属板のEDXスペクトルを示しています。 これらの調査では、侵食されたプレートの組成が大幅に変化しました。 これは、砂の衝撃中に浸食粒子の一部が金属表面に拡散したことを明らかにしています。 後処理金属組成をカーボン、シリコン、フェルム、アルミニウム、リンに変更した。 砂衝撃浸食によって金属サンプルの組成も変化することがわかりました8、9、10。

軟鋼 (6a) 未処理および (6b) 処理済みの EDX。

(7a) 衝撃角 90°での 150 μm 粒子、(7b) 衝撃角 90°での 45 μm 粒子、(7c) 衝撃角 45°での 150 μm 粒子、および (7d) で侵食された軟鋼の SEM 画像45°の衝突角で45μmの粒子。

過去の研究では、固体表面に衝突する粒子の数を決定することにより、粒子サイズが金属表面の浸食に大きな影響を与えることが報告されています7、8、9、10。 10 ミクロン未満の粒子は液体媒体とともに運ばれ、壁に衝突することはほとんどありませんが、より大きな粒子は直進して壁で跳ね返される可能性があります。 サイズが 1 mm を超える大きな粒子はゆっくりと移動し、通常は液体から沈降するため、表面に大きな損傷を与えることはありません。 また、鋭いエッジを持つ粒子が丸い形状の粒子よりも大きな損傷を与えるという証拠はほとんどありません9、10、11。 しかし、異なる生産井や田における砂の鋭さと硬さの変動が侵食速度に及ぼす影響について結論を下すことは困難であろう9,10。 表面が鋭利であるため、特定の作業で使用される砂粒子は生産パイプラインにとってより致命的になる可能性があります。

異なる衝撃角で 45 μm および 150 μm の砂粒子を 1 時間衝突させた軟鋼サンプルの SEM 顕微鏡写真を図 7 に示します。未処理のサンプルは研磨クーポンであり、図 7 の挿入図に示すように、傷や粗い斑点はほとんどありませんでした。 .6a。 浸食実験の後、サンプルの標的領域は黒い円に変わり、高い表面粗さが明らかになりました。 表面粗さの程度は粒子径と衝撃角に大きく依存した。 粒子サイズと金属表面の損傷痕サイズの間には強い関係があることがわかりました9,10。 粗い砂は、細かい粒子に比べて金属をより強く侵食した。

粒子サイズが小さくなると衝突効率が低下することがわかっています10、11、12。 定量的に言えば、衝突効率の低下とその結果としての浸食は、途中で物体の周りを移動する空気に従うことを強制されない小さな粒子の慣性が低いことに起因すると考えられます。 したがって、粒子が大きいほど慣性と運動量が大きくなり、金属表面に衝撃を与え、重大な浸食を引き起こします。 しかし、提示された結果は、たとえ粗い砂と比較して微粒子の質量が小さい場合でも、微粒子も金属表面の重大な浸食を引き起こす可能性があることを証明しています。 したがって、通常の状況では粗い砂が到達できない領域では、微粒子による表面の損傷が大幅に大きくなる可能性があります。

図 7 の SEM 画像は、表面損傷に対する衝突角度の影響も示しています。 最も高い金属浸食は衝撃角 90°で認められ、衝撃角を 15°ずつ 30°まで減少させることで徐々に減少しました。 90°では、加速された粒子は角滑りを示さず、金属表面に最大のエネルギーを与えました。 しかし、より小さい衝突角度では、傾斜した金属表面によって形成される接線方向の経路により、砂粒子は角度のある滑りを示しました。 粒子衝撃力は軸方向成分と半径方向成分に分割されました。 ここでは、軸方向成分のみが砂粒子から金属表面へのエネルギー伝達に寄与していました。 この結果、砂の衝撃が軽減され、その結果、表面の浸食が軽減されました。

処理された鋼サンプルの微小硬度を衝撃角の関数として図 8 に示します。軟鋼の硬度は衝撃角とともに増加する傾向を示しました。 150 μm および 45 μm の砂サンプルで処理したサンプルの全体的な硬度は、それぞれ 87.7 ～ 97.55 VHN および 88.34 ～ 102.31 VHN の範囲であることがわかりました。 これは、金属表面に衝突する砂粒子の硬度と密度が、サンプル表面の塑性変形と微細構造の進化を引き起こすのに十分なほど高いことを明らかにしています。 45 μm で処理したサンプルの硬度の増加は、より小さな粒子が表面に衝撃を与え、微細粒子、マルテン サイト、および残留応力を形成し、その後表面下の微小硬度が増加したことを示しています 13。

鋼サンプルの微小硬度は、さまざまな衝撃角度で侵食されました。

乾式砂侵食に加えて、軟鋼の水性侵食も電気化学的手法を使用して調査されました。 LPR モニタリングは、金属のエロージョン・コロージョンを評価するために使用される効果的な電気化学的手法です。 これには、電子による電流と電気化学ポテンシャルとの間の関係の監視が含まれます。 対応する LPR 曲線は、腐食速度の測定に使用されます。 この関係において、分極抵抗は腐食速度に反比例して変化します。 この研究では、トリプル電極プローブが軟鋼浸食プロセスに追加されました。 電極は相互およびプロセスラインから電気的に絶縁されていました3。 腐食プロセスに影響を与えることなく、電極間に小さな電位 (20 mV の範囲) が印加されました。 対応する電流が監視および測定されました。 電極間の印加電位と電流の比であるＬＰＲは、５重量％の４５μｍおよび１５０μｍの砂粒子を含むスラリー中の軟鋼サンプルについて測定した。

図 9 は、45 μm および 150 μm の砂粒子のスラリー中で腐食した軟鋼の LPR 曲線を示しています。 45 μm および 150 μm の砂スラリー中の軟鋼の分極挙動は、それぞれ約 0.29 および 0.34 mm/年でした。 これらの発見は、これらの実験で予想されていた、より大きな粒子による大きな表面損傷を予測しました。 軟鋼サンプルの腐食は、電流 - 電位密度曲線の分極抵抗 (Ω.cm2) の観点から説明されました。 ここで、サンプルの分極抵抗は式 3、14 を使用して計算されました。

45 μm および 150 μm の砂スラリーで処理した軟鋼の分極曲線。

この式から、45 μm および 150 μm の砂スラリー中のサンプルの分極抵抗は、それぞれ約 949 Ω.cm2 および 809 Ω.cm2 と計算されました。 サンプルの LPR の低下は、一般に、スラリー中に大きな粒子が存在する場合の分極抵抗の低下を示唆しています。 この傾向は、より大きな固体粒子を運ぶ流体中で金属がより高い腐食速度に見舞われることを明らかにしています。 観察された耐分極性の傾向は、外部に形成された腐食生成物層の安定性の観点から明らかにすることができます。 製品層が安定していて金属表面から分離できない場合、LPR はほぼ一定のままです。 ただし、製品層が安定していないとLPR値は変動します。 この場合、層が形成され、金属表面から再び剥離します14。

この研究は、この研究で使用された砂粒子の密度と鋭さは、鋼表面の微細構造の変形と進化を引き起こすのに十分に高いものであると結論付けています。 流体の流れ中に機械的に硬くて大きな粒子が存在すると、比較的柔らかくて小さな粒子と比較して、フローラインの腐食速度が高くなります。 電気化学反応による軟鋼の全体的な水浸食は、固体粒子を運ぶ流れよりも比較的低いままです。

砂を運ぶ流れは、浸食プロセスに関与する速度、衝撃角、機械的強度、固体粒子の鋭さに応じて、金属表面を完全または部分的に劣化させる可能性があります。 したがって、正確な監視システムや予測モデルが存在しない場合、浸食による損傷や差し迫った格納容器の損失を警告するには、流線の厚さを定期的に監視する必要があります。 犠牲クーポンもこの目的に使用できます。

より大きな粒子による予想される金属の浸食はより大きくなりますが、微粒子は金属表面に顕著な損傷を与える可能性もあります。 より小さな粒子で処理したサンプルの硬度は、より大きな粒子で処理したサンプルの硬度とほぼ一致していることがわかりました。 ただし、この合意は、露出時間が増加すると、より大きな粒子による大きな表面損傷が明らかになり、終了する可能性があります。 それにもかかわらず、浸食粒子と金属表面との衝突角度を変えることによって、表面の損傷をかなり軽減することができます15、16、17。

この記事を引用する方法: Naz, MY et al. 炭素鋼の電気化学的および乾燥砂影響浸食研究。 科学。 議員 5、16583; 土井: 10.1038/srep16583 (2015)。

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この研究プロジェクトは、マレーシアのペトロナス工科大学の短期内部研究資金 (STIRF) によって資金提供されています。 著者らはまた、長期研究助成制度 (LRGS) No. 15-8200-137-4-3 に基づいて研究施設の一部を提供していただいたマレーシア高等教育省に感謝したいと思います。

機械工学部、ペトロナス工科大学、バンダル セリ イスカンダル、ペラ、32610、マレーシア

MY Naz & SA スライマン

ペトロナス工科大学石油工学部、セリ・イスカンダル、ペラ、32610、マレーシア

NIイスマイル

ペトロナス工科大学基礎応用科学部、セリ・イスカンダル、ペラ、32610、マレーシア

S.シュクルラ

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MYN は乾燥砂の実験を行い、原稿の本文を書きました。 NII は、特定の研究で使用される実験装置を設計および製造しました。 彼女はこのプロジェクトの研究助成金も確保しており、彼女の名前で承認された助成金から出版料を支払う予定です。 このプロジェクトは、SAS の監督の下で達成されました。彼は、関連する実験手順のレイアウトを作成し、流体流動研究所の研究施設の一部を使用する許可を与えました。 SS は電気化学実験を実施し、図 8 と図 9 を作成しました。著者全員が原稿をレビューしてから、「Scientific Reports」に投稿しました。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

この作品は、クリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされています。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、クレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材がクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれていない場合、ユーザーは素材を複製するためにライセンス所有者から許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Naz、M.、Ismail、N.、Sulaiman、S. 他。 炭素鋼の電気化学的および乾燥砂影響浸食研究。 Sci Rep 5、16583 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep16583

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受信日: 2015 年 8 月 10 日

受理日: 2015 年 10 月 16 日

公開日: 2015 年 11 月 12 日

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16583

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